GIS中的數(shù)據(jù)課件

GIS中的數(shù)據(jù)1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型1．1數(shù)據(jù)的涵義1．1．1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是用以載荷信息的載體。它可以是記錄下來(lái)的某種可以識(shí)別的物理符號(hào)，數(shù)據(jù)的具體形式多種多樣，如文本、圖像、聲音等都可以歸入數(shù)據(jù)的范疇。雖然數(shù)據(jù)是信息的載體，但并非就是信息，只有理解了數(shù)據(jù)的含義、對(duì)數(shù)據(jù)做出解釋，才能得到數(shù)據(jù)中所包含的信息。1．1．2地理數(shù)據(jù)（空間數(shù)據(jù)）的基本特征地理數(shù)據(jù)一般具有三個(gè)基本特征：屬性特征（非定位數(shù)據(jù)），表示實(shí)際現(xiàn)象或特征，例如變量、級(jí)別、數(shù)量特征和名稱等等。空間特征（定位數(shù)據(jù)）：表示現(xiàn)象的空間位置或現(xiàn)在所處的地理位置。時(shí)間特征（時(shí)間尺度）：指現(xiàn)象或物體隨時(shí)間的變化。1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型

圖5-1：空間數(shù)據(jù)的基本特性1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型1．2空間數(shù)據(jù)的類型在地理信息系統(tǒng)中，按照其特征，數(shù)據(jù)可分為三種類型：空間特征數(shù)據(jù)（定位數(shù)據(jù)）、時(shí)間屬性數(shù)據(jù)（尺度數(shù)據(jù)）和專題屬性數(shù)據(jù)（非定位數(shù)據(jù)）。對(duì)于絕大部分地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，時(shí)間和專題屬性數(shù)據(jù)結(jié)合在一起共同作為屬性特征數(shù)據(jù)，而空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為空間數(shù)據(jù)（或地理數(shù)據(jù)）。1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型1．2．1空間特征數(shù)據(jù)空間特征數(shù)據(jù)記錄的是空間實(shí)體的位置、拓?fù)潢P(guān)系和幾何特征，這是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的標(biāo)志?？臻g特征指空間物體的位置、形狀和大小等幾何特征，以及與相鄰物體的拓?fù)潢P(guān)系。位置和拓?fù)涮卣魇堑乩砘蚩臻g信息系統(tǒng)所獨(dú)有的，空間位置可以由不同的坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述，如經(jīng)緯度坐標(biāo)、一些標(biāo)準(zhǔn)的地圖投影坐標(biāo)或是任意的直角坐標(biāo)等。1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型1．2．2專題特征數(shù)據(jù)專題特征指的是地理實(shí)體所具有的各種性質(zhì)，如地形的坡度、坡向、某地的年降雨量、土地酸緘類型、人口密度、交通流量、空氣污染程度等。這類特征在其他類型的信息系統(tǒng)中均可存儲(chǔ)和處理。專題屬性特征通常以數(shù)字、符號(hào)、文本和圖像等形式來(lái)表示。1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型1．2．3時(shí)間特征數(shù)據(jù)時(shí)間屬性是指地理實(shí)體的時(shí)間變化或數(shù)據(jù)采集的時(shí)間等。嚴(yán)格地講，空間數(shù)據(jù)總是在某一特定時(shí)間或時(shí)段內(nèi)采集得到或計(jì)算產(chǎn)生的。由于有些空間數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化相對(duì)較慢，因而有時(shí)被忽略；有些時(shí)候，時(shí)間可以被看成一個(gè)專題特征。1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型1．3空間數(shù)據(jù)的表示方法一般地，表示地理現(xiàn)象的空間數(shù)據(jù)可以細(xì)分為：類型數(shù)據(jù)：例如道路線和土壤類型的分布等；面域數(shù)據(jù)：例如行政區(qū)域界線和行政單元等；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)：例如道路交點(diǎn)、街道和街區(qū)等；樣本數(shù)據(jù)：例如氣象站和野外樣方的分布區(qū)等；曲面數(shù)據(jù)：例如高程點(diǎn)、等高線和等值區(qū)域；文本數(shù)據(jù)：例如地名、河流名稱和區(qū)域名稱；符號(hào)數(shù)據(jù)：例如點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)和面狀符號(hào)等1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型

圖5-2：地理信息系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)以及其表現(xiàn)1．?dāng)?shù)據(jù)涵義與數(shù)據(jù)類型2．?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量尺度數(shù)據(jù)的測(cè)量尺度對(duì)特定現(xiàn)象的測(cè)量就是根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其賦值或打分。為了描述地理世界，對(duì)任何事物都要鑒別、分類和命名。這些都是量測(cè)的組成部分。它們所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)或尺度是不同的。測(cè)量的尺度大致可以分成四個(gè)層次，由粗略至詳細(xì)依次為：命名或類型、次序、間隔以及比例。2．1命名（Nominal）量定性而非定量，不能進(jìn)行任何算術(shù)運(yùn)算，如一個(gè)城市的名字。命名式的測(cè)量尺度也稱為類型測(cè)量尺度，只對(duì)特定現(xiàn)象進(jìn)行標(biāo)識(shí)，賦予一定的數(shù)值或符號(hào)而不定量描述。2．?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量尺度2．2次序（Ordinal）量線性坐標(biāo)上不按值的大小，而是按順序排列的數(shù)，例如，事故發(fā)生危險(xiǎn)程度的級(jí)別由大到小被標(biāo)為1，2，3，…，級(jí)別的序號(hào)越低，其危險(xiǎn)性越大，但危險(xiǎn)性到底有多大并未給予定量的表達(dá)。序數(shù)值相互之間可以比較大小，但不能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算。2．?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量尺度2．3間隔（Interval）量不參照某個(gè)固定點(diǎn)，而是按間隔表示相對(duì)位置的數(shù)。按間隔量測(cè)的值相互之間可以比較大小，并且它們之間的差值大小是有意義的。2．?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量尺度2．4比率（Ratio）量比例測(cè)量尺度的測(cè)量值指那些有真零值而且測(cè)量單位的間隔是相等的數(shù)據(jù)，比例測(cè)量尺度與使用的測(cè)量單位無(wú)關(guān)。2．?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量尺度

圖5-3：各種數(shù)據(jù)測(cè)量尺度以及其制圖表現(xiàn)2．?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量尺度3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量在GIS的幾個(gè)主要因素中，數(shù)據(jù)是一個(gè)極為重要的因素。在計(jì)算機(jī)軟件、硬件環(huán)境選定之后，GIS中數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣，決定著系統(tǒng)分析質(zhì)量以及整個(gè)應(yīng)用的成敗。3．1數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本概念3．1．1準(zhǔn)確性（Accuracy）即一個(gè)記錄值（測(cè)量或觀察值）與它的真實(shí)值之間的接近程度。這個(gè)概念是相當(dāng)抽象的，似乎人們已經(jīng)知道存在這樣的事實(shí)。在實(shí)際中，測(cè)量的知識(shí)可能依賴于測(cè)量的類型和比例尺。一般而言，單個(gè)的觀察或測(cè)量的準(zhǔn)確性的估價(jià)僅僅是通過(guò)與可獲得的最準(zhǔn)確的測(cè)量或公認(rèn)的分類進(jìn)行比較?？臻g數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性經(jīng)常是根據(jù)所指的位置、拓?fù)浠蚍强臻g屬性來(lái)分類的。它可用誤差來(lái)衡量。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．1．2精度（Precision）即對(duì)現(xiàn)象描述的詳細(xì)程度。如對(duì)同樣的兩點(diǎn)，精度低的數(shù)據(jù)并不一定準(zhǔn)確度也低。精度要求測(cè)量能以最好的準(zhǔn)確性來(lái)記錄，但是這可能誤導(dǎo)提供了較大的精度，因?yàn)槌鲆粋€(gè)測(cè)量?jī)x器的已知準(zhǔn)確度的數(shù)字在效率上是冗于的。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．1．3空間分辨率(SpatialResolution)分辨率是兩個(gè)可測(cè)量數(shù)值之間最小的可辯識(shí)的差異。那么空間分辨率可以看作記錄變化的最小距離。在一張用肉眼可讀的地圖上，假設(shè)一條線用來(lái)記錄一個(gè)邊界，分辨率通常由最小線的寬度來(lái)確定。地圖上的線很少以小于0.1mm的寬度來(lái)畫(huà)。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．1．4比例尺（Scale）比例尺是地圖上一個(gè)記錄的距離和它所表現(xiàn)的“真實(shí)世界的”距離之間的一個(gè)比例。地圖的比例尺將決定地圖上一條線的寬度所表現(xiàn)的地面的距離。例如，在一個(gè)1：10000比例尺的地圖上，一條0.5mm寬度的線對(duì)應(yīng)著5m的地面距離。如果這是線的最小的寬度，那么就不可能表示小于5m的現(xiàn)象。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．1．5誤差（Error）定義出一個(gè)所記錄的測(cè)量和它的事實(shí)之間的準(zhǔn)確性以后，很明顯對(duì)于大多數(shù)目的而言，它的數(shù)值是不準(zhǔn)確的。誤差研究包括：位置誤差，即點(diǎn)的位置的誤差、線的位置的誤差和多邊形的位置的誤差；屬性誤差；位置和屬性誤差之間的關(guān)系。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．1．6不確定性（Uncertainty）地理信息系統(tǒng)的不確定性包括空間位置的不確定性、屬性不確定性、時(shí)域不確定性、邏輯上的不一致性及數(shù)據(jù)的不完整性。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．2空間數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題的來(lái)源空間現(xiàn)象自身存在的不穩(wěn)定性空間現(xiàn)象的表達(dá)空間數(shù)據(jù)處理中的誤差空間數(shù)據(jù)使用中的誤差3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量

表5-1：數(shù)據(jù)的主要誤差來(lái)源3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．3常見(jiàn)空間數(shù)據(jù)的誤差分析GIS中的誤差是指GIS中數(shù)據(jù)表示與其現(xiàn)實(shí)世界本身的差別。數(shù)據(jù)誤差的類型可以是隨機(jī)的，也可以是系統(tǒng)的。歸納起來(lái)，數(shù)據(jù)的誤差主要有四大類，即幾何誤差、屬性誤差、時(shí)間誤差和邏輯誤差。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．3．1誤差的類型1）邏輯誤差數(shù)據(jù)的不完整性是通過(guò)上述四類誤差反映出來(lái)的。事實(shí)上檢查邏輯誤差，有助于發(fā)現(xiàn)不完整的數(shù)據(jù)和其他三類誤差。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制或質(zhì)量保證或質(zhì)量評(píng)價(jià)，一般先從數(shù)據(jù)的邏輯性檢查入手。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量圖5-4：各種邏輯誤差3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量2）幾何誤差由于地圖是以二維平面坐標(biāo)表達(dá)位置，在二維平面上的幾何誤差主要反映在點(diǎn)和線上。（2．1）點(diǎn)誤差關(guān)于某點(diǎn)的點(diǎn)誤差即為測(cè)量位置（x，y）與其真實(shí)位置（x0，y0）的差異。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量（2．2）線誤差線在地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中既可表示線性現(xiàn)象，又可以通過(guò)連成的多邊形表示面狀現(xiàn)象。第一類是線上的點(diǎn)在真實(shí)世界中是可以找到的，如道路，這類的線性特征的誤差主要產(chǎn)生于測(cè)量和對(duì)數(shù)據(jù)的后處理；第二類是現(xiàn)實(shí)世界中找不到的，如按高程繪制的等高線，或者是氣候區(qū)劃線等，這類線性特征的線誤差及在確定線的界限時(shí)的誤差，被稱為解譯誤差。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量圖5-5：各種線（直線、折線、曲線）圖5-6：折線和曲線的誤差3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量線誤差分布可以用Epsilon帶模型來(lái)描述，它由沿著一條線以及兩側(cè)定寬的帶構(gòu)成，真實(shí)的線以某一概率落于Epsilon帶內(nèi)。

圖5-7：折線誤差的分布3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量

圖5-8：曲線的誤差分布3．3．2地圖數(shù)據(jù)的質(zhì)量問(wèn)題地圖數(shù)據(jù)是現(xiàn)有地圖經(jīng)過(guò)數(shù)字化或掃描處理后生成的數(shù)據(jù)。在地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題中，不僅含有地圖固有的誤差，還包括圖紙變形、圖形數(shù)字化等誤差。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．3．3遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量問(wèn)題遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量問(wèn)題，一部分來(lái)自遙感儀器的觀測(cè)過(guò)程，一部分來(lái)自遙感圖象處理和解譯過(guò)程。前者誤差主要表現(xiàn)為空間分辨率、幾何畸變和輻射誤差，這些誤差將影響遙感數(shù)據(jù)的位置和屬性精度。后者主要產(chǎn)生空間位置和屬性方面的誤差。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．3．4測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量問(wèn)題測(cè)量數(shù)據(jù)主要指使用大地測(cè)量、GPS、城市測(cè)量、攝影測(cè)量和其他一些測(cè)量方法直接量測(cè)所得到的測(cè)量對(duì)象的空間位置信息。這部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，主要是空間數(shù)據(jù)的位置誤差。3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量3．4空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，要控制數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)從數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生和擴(kuò)散的所有過(guò)程和環(huán)節(jié)入手，分別用一定的方法減少誤差?？臻g數(shù)據(jù)質(zhì)量控制常見(jiàn)的方法有：傳統(tǒng)的手工方法元數(shù)據(jù)方法地理相關(guān)法3．地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量4．1元數(shù)據(jù)的概念及類型4．1．1元數(shù)據(jù)的概念元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的描述性數(shù)據(jù)信息，它應(yīng)盡可能多地反映數(shù)據(jù)集自身的特征規(guī)律，以便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確、高效與充分的開(kāi)發(fā)與利用，不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫(kù)，其元數(shù)據(jù)的內(nèi)容會(huì)有很大差異。4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括：1）對(duì)數(shù)據(jù)集的描述2）對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的描述3）對(duì)數(shù)據(jù)處理信息的說(shuō)明4）對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的描述5）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新、集成等的說(shuō)明4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．1．2元數(shù)據(jù)的類型1）根據(jù)元數(shù)據(jù)的內(nèi)容分類（1．1）科研型元數(shù)據(jù)（1．2）評(píng)估型元數(shù)據(jù)（1．3）模型元數(shù)據(jù)2）根據(jù)元數(shù)據(jù)描述對(duì)象分類（1．1）數(shù)據(jù)層元數(shù)據(jù)（1．2）屬性元數(shù)據(jù)（1．3）實(shí)體元數(shù)據(jù)4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)3）根據(jù)元數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的作用分類（1．1）系統(tǒng)級(jí)別元數(shù)據(jù)（1．2）應(yīng)用層元數(shù)據(jù)4）根據(jù)元數(shù)據(jù)的作用分類（4．1）說(shuō)明元數(shù)據(jù)（4．2）控制元數(shù)據(jù)4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．1．3空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)是一種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。它涉及到對(duì)于空間特征的描述，也涉及到對(duì)于屬性特征及其它們之間關(guān)系的描述，所以空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立是項(xiàng)復(fù)雜的工作；并且由于種種原因，某些數(shù)據(jù)組織或數(shù)據(jù)用戶開(kāi)發(fā)出來(lái)的空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)很難為地學(xué)界所廣泛接受。但空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立是空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的前提和保證，只有建立起規(guī)范的空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)才能有效利用空間數(shù)據(jù)4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．2空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的應(yīng)用4．2．1幫助用戶獲取數(shù)據(jù)4．2．2空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制4．2．3在數(shù)據(jù)集成中的應(yīng)用4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．3使用元數(shù)據(jù)的原因4．3．1性能上的原因1）完整性（Completeness）2）可擴(kuò)展性(Extensibility)3）特殊性(Specialization)4）安全性(Safety)4．3．2功能上的原因1）查錯(cuò)功能(Debugging)2）瀏覽功能(Browsing)3）程序生成(ProgramGeneration)4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．4空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的獲取與管理4．4．1空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的獲取空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的獲取是個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，相對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的形成時(shí)間，它的獲取可分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)收集前、數(shù)據(jù)收集中和數(shù)據(jù)收集后。對(duì)于模型元數(shù)據(jù)，這三個(gè)階段分別是模型形成前、模型形成中和模型形成后。4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的獲取方法主要有五種：鍵盤(pán)輸入、關(guān)聯(lián)表、測(cè)量法、計(jì)算法和推理法。在元數(shù)據(jù)獲取的不同階段，使用的方法有差異。在第一階段主要是鍵入方法和關(guān)聯(lián)表方法；第二階段主要采樣測(cè)量方法；第三階段主要方法是計(jì)算和參考方法。4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．4．2空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的管理空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的理論和方法涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)兩方面。4．空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)4．5元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和功能實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，可以避免數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)，通過(guò)元數(shù)據(jù)建立的邏